基于北斗CORS 的網絡RTK 實時定位研究

范志平

（福建省測繪院，福建 福州 350001）

0 引言

北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的重要空間基礎設施。隨著各地CORS系統北斗化改造完成，兼容北斗系統的CORS 網絡RTK 實時定位服務已經得到越來越廣泛的應用。學者對北斗CORS 的應用做了大量研究，葉方宇從固定基線檢測精度和實時定位精度兩方面分析，結果顯示經過北斗增強的福建CORS 系統滿足高精度實時定位的要求［1］；張乙志等對浙江省北斗地基增強系統在不同的模式下進行網絡RTK 測試，結果表明：浙江省北斗地基增強系統試驗網基本能達到厘米級精度［2］；王濤等對蘇州北斗地基增強系統在不同模式進行檢測和對比分析得知，兼容北斗的“三星”模式可以提高CORS 系統的精度、時效性、空間可用性等［3］；韓紅超實測分析了兼容北斗的寧波市CORS 系統的各項技術指標，結果顯示：三星系統可以大幅度提高初始化速度和服務可用性，在精度方面與傳統雙星系統相當［4］。

本文主要研究在僅北斗系統可用的情況下，北斗CORS 在實際應用中的可用性、實時定位精度是否滿足實時定位的要求。通過實地采集實時定位數據，分析單北斗模式下的系統可用性、初始化時間、定位精度等指標，并與雙星、三星模式進行對比。

1 構建測試網

福建省衛星導航定位基準服務系統（FJCORS）于2017 年完成升級改造，可以接收和處理北斗（北斗一號、北斗二號）數據。針對不同用戶，提供實時分米級、厘米級、后處理毫米級等多個層級的高精度位置服務，可為測繪、國土規劃、環境保護、變形監測等領域提供高精度的位置服務，如控制測量、海堤海岸線測量、地質災害監測等。

本文從FJCORS 基準站網中選取10 個基準站組成測試網，同時提供單北斗模式（BDS）、雙星模式（GPS/GLONASS）、三星模式（GPS/GLONASS/BDS）等3 種模式的信號源節點，使用RTCM 格式播發差分數據。所選基準站周圍觀測環境良好、數據完整、質量穩定，滿足規范要求。測試網相鄰基準站間平均距離54.1 km，最大站間距85.8 km，最小站間距29.4 km，站點分布如圖1 所示。

圖1 測試網基準站分布圖

2 數據采集

本次實測的22 個觀測點均勻分布，其中12 個觀測點位于測試網內，10 個觀測點位于測試網邊界和網外20 km 內。其中6 個觀測點周圍觀測環境較為惡劣，建筑物或者樹木遮擋嚴重，其余觀測點周圍觀測環境良好，視野開闊或者只有少量遮擋物。

使用的設備是華測中繪I90，支持三星GNSS 接收機在每個觀測點上進行多次觀測，每種模式下觀測3 組數據，每組觀測3 個測回，每測回采集50 個歷元數據，采樣間隔1 s。每組觀測需斷開網絡并間隔180 s 再重新連接，記錄連接時間、初始化時間、觀測環境等。若初始化時間超過300 s，則認為該觀測點不能固定。

3 實時定位分析

3.1 可用性

可用性是衡量CORS 系統性能的重要內容之一，影響RTK 固定速度和定位精度，根據觀測點能否獲得固定解來評價可用性。對各觀測點所處測試網位置、觀測環境、是否固定等進行統計分析，其結果如表1 所示。

表1 RTK 在不同環境下的可用性結果

由表1 可知：從觀測環境看，在觀測環境良好的情況下，15 個觀測點能夠獲取固定解，固定比例達到90% 以上；在障礙物遮擋較嚴重的環境下，只有33.3% 的觀測點能夠獲得固定解。從觀測點所處網位置來看，無法獲取固定解的觀測點離基準站較遠或者處于網外。結果表明：單北斗模式下，綜合固定比例（固定觀測點數與總觀測點數之比）為77.3%。

3.2 初始化時間

作為CORS 系統中的一個重要質量指標，初始化時間的長短直接關系著外業測量定位的效率。初始化時間可以分為冷初始化時間和熱初始化時間，冷初始化時間是從GPRS 連接至CORS 數據中心算起，直到整周模糊度解算完成得到固定解，熱初始化時間僅包括整周模糊度的解算時間［5］。所有獲得固定解的觀測點的平均初始化時間如表2 所示。

表2 初始化時間統計結果 單位：s

由表2 可知：單北斗模式下，冷初始化時間82.4%集中在3～80 s，平均初始化時間為47.1 s。網絡RTK 冷初始化時間最短僅3 s，主要原因是BDS01點位周圍開闊無遮擋且離基準站較近，可用衛星數較多、差分信號精度高；最長初始化時間為195 s，主要原因是BDS13 觀測環境較差導致可用衛星數較少，同時衛星信號接收受阻，延長了整周模糊度的求解時間。熱初始化時間整體較短，全部集中在10 s 內。

3.3 定位精度

通常，網絡RTK 實時定位的精度評定采用內符合精度和外符合精度2 個指標。內符合精度計算的是觀測值的均方根，能夠反映實時定位的穩定性；外符合精度統計觀測值與真值的差值，能夠反映實時定位的準確性。

根據誤差理論，內符合精度計算時，先計算每個觀測點參與處理的所有觀測值的平均值，然后將觀測值與該平均值求差，最后統計差值分布概率，計算差值的均方根。計算各觀測點的X、Y、Z方向的內符合精度如式（1）所示：

式中：δX為內符合精度；n為觀測值總數；Xi為第i個觀測值為所有觀測值的平均值。

外符合精度通過各觀測點的觀測值與該點真值求差，然后計算差值的均方根，各觀測點的X、Y、Z向的外符合精度如式（2）所示：

式中：φX為外符合精度；n為觀測值總數；Xi為第i個觀測值；x為觀測點坐標真值。

FJCORS 可以直接獲得CGCS2000 坐標，因此外符合精度統計的是CGCS2000 系統下的精度，各獲得固定解的觀測點實時定位精度統計如表3 所示。

表3 實時定位精度統計表 單位：s

由表3 可知：內符合精度在平面方向上達到了1.8 cm，高程方向88%以上優于2.2 cm；外符合精度在平面方向上達到了3.4 cm，高程方向82%以上優于3.7 cm，均滿足網絡RTK 實時定位作業要求（內符合平面≤3.0 cm、高程≤5.0 cm，外符合平面≤5.0 cm、高程≤10 cm）。

3.4 多模式對比

經過對3 種模式下采集的數據進行分析處理，對各模式下的可用性、初始化時間、定位精度等指標進行比較，其結果如圖2 所示。

圖2 多模式下各指標對比圖

圖2（a）表明：觀測環境良好時3 種模式固定比例均在90% 以上；惡劣環境下，三星模式固定比例最高為83.3%，單北斗為33.3%。綜合固定比例單北斗為77.3%，低于雙星和三星。圖2（b）表明：除了BDS01、BDS14 觀測點外，其余各觀測點單北斗初始化時間均大于雙星和三星；雙星和三星初始化時間相差不大。其可能的原因是觀測點周圍觀測環境良好且離基準站較近，可用衛星數量足夠解算整周模糊度，而多余的衛星參與解算并不能明顯提高整周模糊度解算速度。圖2（c）、圖2（d）表明：內外符合精度方面，三星與雙星基本相當，略有提升，且均優于單北斗。

4 結語

通過北斗CORS 網絡RTK 實時定位實測分析，得出以下結論：

1）單北斗模式下，實時定位綜合固定比例為77.3%，平均初始化時間為46.7 s。觀測點的觀測環境、與基準站的距離、處于CORS 網位置（網內、網外）都明顯影響RTK 實時定位的固定比例和初始化時間。對于CORS 系統來說，可以通過加密基準站、共享鄰省基準站以擴大CORS 網的覆蓋范圍來提高可用性和效率。

2）從定位精度來看，內符合精度平面方向為1.8 cm，高程方向88%優于2.2 cm；外符合精度平面方向為3.4 cm，高程方向82% 優于3.7 cm，達到規范要求，完全可以滿足高精度實時定位的要求。

3）通過多種模式的對比分析，相較于單北斗，三星模式能夠提高系統的可用性、時效性（初始化時間）、定位精度。單北斗模式在各方面與雙星、三星模式還有一定差距，相信兼容北斗三號后，這些差距會縮小。